Зажигание плазмы: рекордная термоядерная реакция в лаборатории США

В декабре 2022 года ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) в Калифорнии совершили исторический прорыв: на установке National Ignition Facility (NIF) впервые в лабораторных условиях было достигнуто термоядерное зажигание. Это означает, что в ходе эксперимента было получено больше энергии от термоядерного синтеза, чем было затрачено лазерной энергии на облучение мишени. Данное достижение, результат более чем 60-летней работы, стало важнейшей вехой на пути к коммерциализации термоядерной энергетики и созданию устойчивого, безопасного и чистого источника энергии.

Дэйв Шлоссберг, физик-экспериментатор из LLNL, разъясняет, что их исследования в области термоядерного синтеза представляют собой масштабную командную работу. Ученые лаборатории специализируются на инерциальном управляемом термоядерном синтезе (ICF) – методе, использующем мощные лазеры и инерцию определенных материалов для удержания сверхгорячего газа, или плазмы. Команда включает широкий круг ученых, инженеров, техников, а также получает поддержку от национальных спонсоров, таких как Национальное управление по ядерной безопасности (NNSA). Работа направлена на поддержание надежности ядерного арсенала, обеспечение национальной безопасности и развитие термоядерной энергетики.

National Ignition Facility, по словам Шлоссберга, выполняет три основные миссии. Первая – предоставление данных для программы управления ядерным арсеналом США. Вторая – проведение уникальных научных экспериментов для лучшего понимания устройства Вселенной. Третья – достижение и изучение термоядерного зажигания. Шлоссберг также с энтузиазмом добавляет, что существует и неофициальная четвертая миссия: вдохновлять ученых, инженеров и молодежь на дерзкие идеи и их воплощение в жизнь.

Программа ICF нацелена на генерацию термоядерной энергии и управление плазмой с помощью лазеров и инерции сжимаемого материала. Ключевыми приоритетами здесь являются увеличение выхода энергии от экспериментов и углубление понимания физических процессов для повышения эффективности так называемых имплозий – быстрого сжатия мишени. Сам Шлоссберг руководит экспериментальной частью этих исследований, что включает выдвижение гипотез, их проверку с использованием самой мощной в мире лазерной системы, способной на сто триллионных долей секунды создать условия, подобные звезде, и последующий анализ результатов. Он также возглавляет команду, создающую научную аппаратуру, или диагностику, для точных измерений в экстремальных условиях термоядерной установки. Шлоссберг считает это идеальным сочетанием, поскольку оно позволяет ему проверять пределы физического понимания и непосредственно участвовать в создании оборудования, проливающего новый свет на эксперименты.

Вклад NIF в коммерциализацию термоядерного синтеза многогранен. Шлоссберг отмечает, что на NIF уже более десяти лет регулярно проводятся эксперименты по получению термоядерной энергии. Уникальность NIF заключается в используемом топливе: в отличие от многих других установок, применяющих дейтерий, здесь уже более 15 лет используется смесь дейтерия и трития. Недавним важным шагом стала институциональная инициатива по инерциальной термоядерной энергии (IFE), объединяющая LLNL, другие национальные лаборатории, университеты и промышленных партнеров для использования накопленного опыта в создании энергетических приложений. NIF является единственным местом в мире, где можно исследовать ключевые физические аспекты реакций, необходимые для термоядерной электростанции, такие как самонагрев плазмы и воздействие быстрых нейтронов на материалы.

Достижению зажигания предшествовал важный этап: в 2020 и 2021 годах исследователи NIF впервые в лаборатории получили состояние «горящей плазмы». Шлоссберг сравнивает это с розжигом костра: когда топливо загорается, оно начинает само производить энергию, поддерживающую горение. Этот термоядерный «огонь» стал первым признаком того, что система способна к самоподдержанию, открыв путь к изучению и оптимизации этого процесса. Он подчеркивает, что этот прорыв не был внезапной идеей, а результатом 60 лет непрерывного совершенствования исследований.

Прорыв 2022 года, достижение термоядерного зажигания, стал возможен благодаря изменениям, позволившим удержать больше энергии внутри плазмы. Шлоссберг указывает на три ключевых фактора: уменьшение размера отверстий, через которые лазерные лучи попадают в активную зону (чтобы сократить утечки тепла), снижение уровня деградации характеристик плазмы (например, из-за примесей), и повышение эффективности всего процесса, то есть увеличение количества подводимой энергии. Этот результат продемонстрировал миру, что получение большего количества энергии от термоядерной реакции, чем было затрачено на ее запуск, принципиально возможно. С тех пор зажигание было успешно повторено семь раз, причем недавние эксперименты позволили достичь мирового рекорда по коэффициенту усиления – отношению полученной термоядерной энергии к энергии лазера – более чем в четыре раза, и это при меньшей входной энергии лазера.

Шлоссберг делится историей своего участия: в ночь перед первым успешным зажиганием ему позвонили около двух часов ночи с просьбой посмотреть данные. После анализа он подтвердил, что результаты указывают на достижение зажигания. Это положило начало напряженной неделе: для стопроцентной уверенности перед мировым анонсом была собрана группа экспертов, которая тщательно проверила данные с различных диагностических систем, подтвердив историческое событие.

Ученые LLNL и NIF, по словам Шлоссберга, чрезвычайно целеустремленны и постоянно ставят перед собой новые, более амбициозные задачи. Сразу после достижения зажигания начались поиски путей повышения эффективности процесса имплозии, увеличения подводимой энергии и углубления понимания физики плазмы. В отличие от магнитного термоядерного синтеза, где система работает в стационарном режиме, инерциальный синтез использует импульсный режим: капсула с топливом сжимается, производит энергию и затем разрушается, после чего процесс можно повторять. Одним из ключевых последующих экспериментов стало изучение того, что происходит с капсулой, когда она продолжает генерировать термоядерную энергию уже в процессе расширения – состояние, которое невозможно было исследовать до достижения зажигания.

Среди ближайших целей Шлоссберг называет дальнейшее увеличение выхода термоядерной энергии. Производительность системы чрезвычайно чувствительна к малейшим изменениям входных параметров, и понимание этих зависимостей остается важнейшей задачей. Другая цель – поддержание работоспособности и модернизация самой установки NIF, которая была спроектирована два десятилетия назад. Благодаря финансированию от спонсоров, ведутся работы по поддержанию ее в отличном состоянии. Более того, существует одобренный на нескольких уровнях правительственного рассмотрения проект по увеличению мощности лазерной системы NIF, что позволит подводить к плазме еще больше энергии и, соответственно, получать больший выход термоядерной энергии. Шлоссберг заключает, что его работа по созданию термоядерных имплозий и исследованию фундаментальной физики этого захватывающего явления продолжается ежедневно.